美國橡樹嶺國家實驗室Ilias Belharouak等人設計了一個可用于固態(tài)電池設計與性能全面分析的交互式實驗工具包(SolidPAC)。 該工具包可根據(jù)用戶特定的應用要求，設計出相應的固態(tài)電池以及電池PACK，幫助研究人員對電極材料性能和組分、電極厚度和負載、成本等因素進行合理優(yōu)化。 該工具包之前進行了簡單介紹：

固態(tài)電池設計與能量密度評估工具包

本文詳細介紹工具包中固態(tài)電池的設計過程。 該工具包有兩種形式供大家使用：(1)EXCELL文件版本，利用表格輸入?yún)?shù)，進行電池設計與性能計算; (2)以軟件形式安裝，只能安裝在64位WINDOWS10.0以上版本操作系統(tǒng)，利用軟件界面輸入?yún)?shù)，計算性能。 兩種形式基本過程類似，本文以EXCELL版本為例進行介紹。

軟件形式界面

第一步，選擇材料體系，點擊單元格右側下拉三角符，選擇對應的材料。

1.1、選擇負極活性材料 ，包括石墨、硅和鋰，具體的參數(shù)包括容量(Nominal Capacity)、分子量(Molecular Weight)和材料真密度(Material Density)，默認的參數(shù)值如下表所示，這里也可以根據(jù)自己的實際情況修改材料參數(shù)值。

1.2、選擇固態(tài)電解質(zhì) ，常見的固態(tài)電解質(zhì)及其性能默認值如下表所示，主要參數(shù)包括密度、摩爾質(zhì)量、每克電解質(zhì)內(nèi)的可用Li質(zhì)量、電導率、負極/電解質(zhì)界面電阻、正極/電解質(zhì)界面電阻。 材料參數(shù)值也可以根據(jù)自己的實際情況修改。

1.3、選擇電極中添加的固態(tài)電解質(zhì)組分 ，可供選擇的主要是1.2固態(tài)電解質(zhì)中的前六種。

1.4、選擇正極活性材料 ，常見的固態(tài)電解質(zhì)及其性能默認值如下表所示，常見材料包括NCA、NMC622、NMC333、LFP、LMO和75%NMC/25%LMO等，主要的參數(shù)包括材料摩爾質(zhì)量、電極面容量、克容量、活性材料/導電劑/電解質(zhì)/粘結劑的比例(根據(jù)實際情況修改電池設計參數(shù))、 不同SOC狀態(tài)下的電壓、電阻等，這些默認值都是該團對長期工作中積累的數(shù)值，當然材料參數(shù)值也可以根據(jù)自己的實際情況修改。

第二步，輸入電池模組、PACK、電芯設計參數(shù)，以及應用新能源汽車類型。

Number of packs per vehicle (parallel or series)，每兩汽車的PACK數(shù)量;

Vehicle type (microHEV, HEV-HP, PHEV, EV)，電動汽車類型，主要包括微型混合動力、混合動力、插入式混合動力、純電動，每種類型主要利用電池PACK的總能量比例不同，而且可能根據(jù)不同的材料變化，默認值如下表所示。

Target battery pack power, kW，電池PACK目標功率;

電池PACK組成如下圖所示，電芯通過串并聯(lián)組成模組，幾個模組串并聯(lián)組成PACK。 Cells per module每個模組的電芯個數(shù)，Cells in parallel每個模組的電芯并聯(lián)數(shù)，Modules in a row在PACK中串聯(lián)的模組數(shù)，Number of rows of modules in a pack在PACK中的模組串聯(lián)數(shù)。

Energy requirement of vehicle on UDDS cycle (default = 250), Wh/mile，美國UDDS標準中規(guī)定的工況條件下電動汽車的能量要求，默認值250Wh/mile。

Pack capacity (Ah)，Pack energy (kWh)和Vehicle range (miles)，Pack容量、能量或者汽車里程，三者任填一個。

Stacking，電芯的疊片形式，分為兩種傳統(tǒng)的鋰電池形式和雙極板串聯(lián)式。 如下圖所示，傳統(tǒng)形式由正極極片、隔膜和負極組成基本單元，然后電芯是由幾個基本單元并聯(lián)組成的; 雙極板形式是雙極板集流體一側為正極、一側為負極，依次串聯(lián)組成電芯。 雙極板形式減少了集流體數(shù)量，節(jié)省了電池內(nèi)部空間，能量密度更高。

而且雙極板形式，集流體中電流傳輸方向為集流體厚度方向，傳輸距離比傳統(tǒng)形式更短，電阻更低。

第三步，輸入以上參數(shù)，該工具自動計算電池和電池組的設計參數(shù)和性能參數(shù) ，具體包括：

下圖是采用該工具設計的固態(tài)電池實例，Materials和Cathode design是輸入?yún)?shù)，其他采用默認值，后面的就是自動計算的數(shù)值，列出了正極的厚度、重量，電池質(zhì)量、體積、能量密度等。

下圖展示了電解質(zhì)厚度和N/P比值對電池性能的影響，以及不同電解質(zhì)采用傳統(tǒng)電池疊片設計和雙極板設計的能量密度對比。

審核編輯：湯梓紅